焙烤工艺对小米中维生素E含量及自由基清除活性的影响

王岸娜，Bushra Siddque，吴立根

河南工业大学 粮油食品学院，河南 郑州 450001

小米是谷子经脱壳碾磨而成，谷子是我国传统的主要粮食作物之一，含有丰富的蛋白质、脂肪、膳食纤维、维生素和矿物质。由于地域的不同，小米中蛋白质含量为9.28%～15.80%，脂肪含量为3.1%～5.2%，碳水化合物含量为70%左右。每100 g小米中，含有胡萝卜素0.11～1.96 mg，维生素E 3.97～9.58 mg，维生素B10.57 mg和维生素B20.12 mg，高于其他谷类作物[1]。小米具有一定的滋补和药用价值[2]。小米中丰富的膳食纤维通过加快消化腺的分泌，减少肠黏膜与粪便接触的时间，降低某些致癌物质的产生，可以有效预防消化道疾病[3-4]；含有的亚油酸、维生素E、谷维素、角鲨烯等天然植物营养成分具有软化血管[5]、降低血压[6]、抑制胆固醇在肠道吸收的功效[7]；此外，小米还具有抗溃疡、抗炎、降血糖[8]、提高免疫力等功效[9-10]。

维生素E是维持人体多种正常生理活动的重要营养物质，为定位于膜的脂溶性天然抗氧化剂，可阻断自由基链式反应，能抑制自由基导致的生物膜脂质过氧化[11]、预防体内细胞膜脂质破坏、保持组织完整性，具有防癌[12]、抗衰老[13]、防治心血管疾病[14]、维持生殖健康[15]、干预脑神经DNA损伤[16]等功能。维生素E经透皮吸收后，可抑制紫外线照射导致的活性氧与自由基参与的化学反应，具有减少光老化的作用[17]。

目前，对于小米中维生素E的研究多集中于不同来源谷子/小米中维生素E含量的测定[18]、小米米糠油中维生素E的含量及活性的研究[9,19]。对于小米经焙烤前后，维生素E含量和清除自由基活性的变化，还未见报道。由于维生素E主要由光合生物合成，人类需通过日常饮食摄取，因而研究焙烤对小米中维生素E含量及其清除自由基活性的影响，可为以小米为原料的健康产品的开发提供一定的技术支持，具有非常重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

小米粉：小米样品除杂后水分调整至适当的含量(10%、12%、14%、16%、18%、20%)，称取100 g置于烤盘中，150 ℃分别焙烤适当时间(5、10、15 min)，冷却后，以小型磨粉机粉碎，通过0.25 mm(60目)孔径样品筛，保藏备用。

2，6-二叔丁基对甲酚：济南鑫凯新材料有限公司；无水乙醇：郑州派尼化学试剂厂；抗坏血酸：天津市光复科技发展有限公司；氢氧化钾：济南创世化工有限公司；氯化钠：西安天茂化工有限公司；正己烷：格里斯(天津)医药化学技术有限公司；乙酸乙酯：山东玉科化工有限公司；无水硫酸钠：中昊晨光化工研究院有限公司；1，1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2，2-联氮-二(3-乙基-苯并噻唑-6-磺酸)二铵盐(ABTS)：北京索莱宝有限公司。所有试剂均为分析纯。

1.2 仪器与设备

RRH-100高速多功能粉碎机磨粉机：上海缘沃工贸有限公司；超声波清洗机：广州邦洁电子产品有限公司；氮吹仪：河北慧采科技有限公司；752N紫外可见分光光度计：上海佑科仪器仪表有限公司；电热恒温鼓风干燥箱：上海齐欣科学仪器有限公司；XW-80A漩涡振荡器：上海巴玖实业有限公司；HH-2数显恒温水浴锅：常州国华电器有限公司;高效液相色谱仪：安捷伦科技有限公司。

1.3 试验方法

1.3.1 维生素E的提取

精确称取1.000 g粉碎后小米样品于试管中，分别添加2,6-二叔丁基对甲酚10 mg、乙醇10 mL、10%抗坏血酸溶液1 mL，超声波清洗机中提取10 min后，加入50%氢氧化钾溶液2 mL，充入氮气封口，70 ℃水浴中反应30 min，冷却至室温后转移到分液漏斗中，添加2%氯化钠溶液20 mL,用10 mL正己烷-乙酸乙酯(85∶15,V/V)溶液萃取2次。有机相中加入无水硫酸钠，提取有机相并于氮吹仪上吹至近干。复溶于1 mL甲醇,过0.45 μm滤膜后进行HPLC测定。

1.3.2 维生素E含量的测定

维生素E含量的测定参考刘敏轩等[18]的方法。

1.3.3 DPPH自由基清除率的测定

DPPH自由基清除率的测定参考王岸娜等[19]的测定方法。

1.3.4 ABTS自由基清除率的测定

ABTS自由基清除率的测定参考王岸娜等[20]的测定方法。

1.3.5 单因素试验

将水分含量为16%的小米样品除杂后粉碎，于150 ℃分别加热0、5、10、15 min，然后，测定样品中维生素E的含量，以及维生素E的DPPH、ABTS自由基清除率。

依次将水分含量为10%、12%、14%、16%、18%、20%的小米样品于150 ℃加热10 min，然后测定样品中维生素E的含量，以及维生素E的DPPH、ABTS自由基清除率。

将水分含量为16%的小米样品分别于80、120、150、180 ℃条件下加热10 min，然后测定样品中维生素E的含量，以及维生素E的DPPH、ABTS自由基清除率。

1.3.6 响应面优化试验

采用Box-Behnken Design中心组合试验，以加热温度、加热时间、水分含量这3个因素作为自变量，以小米样品中维生素E含量,维生素E的DPPH、ABTS自由基清除率为响应量。设计3个因素3个水平的响应面分析试验，进行优化试验。建立焙烤对小米中维生素E含量和自由基清除率的二次模型。

1.3.7 最优组合验证试验

根据响应面结果，得到最优工艺条件，并进行验证试验。

1.4 数据处理方法

所有试验均平行测定3次，结果表示为平均值±标准偏差。单因素显著性分析采用SPSS Statistics 24.0，P<0.05 表示差异显著；采用Origin 9.0绘图；Design-Expert 10.0 软件设计响应面优化试验。

2 结果与分析

2.1 单因素试验

2.1.1 焙烤时间对维生素E含量及自由基清除率的影响

加热时间对小米维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影响如图1所示。与未加热小米样品中维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率对比发现，加热对这3项指标均有较大影响，加热时间为15 min时，小米中维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率最低。

图1 加热时间对小米维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影响Fig.1 Effect of heating time on the content of vitamin E, DPPH radical scavenging rate and ABTS radical scavenging rate

2.1.2 焙烤对不同水分含量小米的维生素E含量及自由基清除率的影响

焙烤对不同水分含量小米的维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影响如图2所示。由图2可知，不同水分含量对小米中维生素E含量影响较大。当水分含量低于18%时，随着小米样品中水分含量的提高，样品中维生素E含量,DPPH、ABTS自由基清除率会逐渐降低，且当水分含量为10%时，该小米中维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率高于其他小米样品。小米水分含量为16%时维生素E含量最低，为45.71 μg/g。水分含量为18%、20%时，小米样品中维生素E含量分别为78.09、78.78 μg/g，与未经热处理的小米样品中维生素E含量相差不大。DPPH和ABTS自由基清除率均在小米水分含量18%时最高。

图2 焙烤对不同水分含量小米的维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影响Fig.2 Effect of baking process on the content of vitamin E, DPPH radical scavenging rate and ABTS radical scavenging rate of millet with different moisture content

2.1.3 焙烤温度对小米维生素E含量及自由基清除率的影响

温度对小米维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影响如图3所示。随加热温度的升高，维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率均出现先增加后减小趋势。

图3 温度对小米维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率的影响Fig.3 Effect of temperature on the content of vitamin E, DPPH radical scavenging rate and ABTS radical scavenging rate of millet

2.2 响应面试验及数据分析

响应面试验的因素与水平见表1。

表1 响应面试验的因素与水平Table 1 Factors and levels of response surface experiments

2.2.1 响应面试验结果及回归模型的建立

通过响应面分析多元回归拟合因素与响应值间的函数关系，由回归方程寻找最佳的工艺参数。在单因素试验基础上，使用Design-Expert 10.0软件， 应用Box-Behnken 进行了三因素三水平的试验设计，共17组试验。焙烤加工后小米维生素E含量及DPPH、ABTS自由基清除率的响应面试验结果见表2。

表2 响应面试验方案与结果Table 2 Response surface experiment design and results

对试验结果拟合得到多元二次回归方程。

维生素E含量=71.60+4.74A+14.02B+2.02C-4.52AB-1.91AC-6.52BC-19.64A2+3.75B2-15.86C2-7.82A2B-3.27A2C+16.24AB2。

DPPH自由基清除率=29.20+6.81A-13.08B+4.97C-0.75AB-2.72AC-4.52BC+2.63A2+4.92B2-15.70C2+9.32A2B-7.26A2C。

ABTS自由基清除率=18.88+2.79A-6.41B+3.18C-3.50AB-1.07AC-6.67BC+1.41A2+7.21B2-10.21C2。

2.2.2 响应面试验方差分析

表3、表4和表5表明：基于维生素E含量的回归方程P值小于0.000 1，为极显著，且F值为616.97，表明此回归模型显著，仅有0.01%的可能性是由于噪声导致此F值；DPPH自由基清除率的回归方程P值为0.022 8，小于0.05，且F值为6.86，回归模型显著，仅有2.28%的可能性是由于噪声导致这一F值，失拟项P值为0.140 2，表明该模型在0.05水平上失拟不显著，因而,DPPH自由基清除率的回归方程显著；ABTS自由基清除率的回归方程P值为0.048 8，小于0.05，失拟项P值为0.312 7，表明相对于纯误差，该模型在0.05水平上失拟不显著，因而，ABTS自由基清除率的回归方程显著。3个回归方程的相关系数依次为0.999 5、0.966 3和 0.826 9，均高于0.800，回归模型与实测值能较好地拟合，并且3个响应值的变化依次有99.95%、96.63%和82.69%来源于所选3个变量。此外，3个模型的精密度依次为69.503、9.732和7.661，均高于4.0，表明3个回归模型与实测值能较好地拟合。

表3 基于维生素E含量的方差分析Table 3 Variance analysis on vitamin E content

表4 基于维生素E的DPPH自由基清除率的方差分析Table 4 Variance analysis on the DPPH radical scavenging rate of vitamin E

表5 基于维生素E的ABTS自由基清除率的方差分析Table 5 Variance analysis on the ABTS radical scavenging rate of vitamin E

基于维生素E含量的模型中焙烤温度、焙烤时间均为极显著因素，小米水分含量为显著因素；回归方程中的AB、BC、A2、C2、A2B、AB2对模型有极显著影响，B2对模型有高度显著影响，AC对模型有显著影响。基于DPPH自由基清除率的模型中，焙烤温度、焙烤时间均为显著因素，小米水分含量的平方、焙烤温度的平方与焙烤时间的乘积均对模型有显著影响。基于清除ABTS自由基清除率的模型中焙烤时间为显著因素，小米水分含量的平方对模型有显著影响。

F值反映各因素对响应值的重要性，F值越大则对响应值的影响越大。表3中F(A)=112.47，F(B)=982.19，F(C)=20.31；表4中F(A)=11.33，F(B)=20.89，F(C)=3.02；表5中F(A)=1.55，F(B)=8.22，F(C)=2.02。由表3、表4和表5中的F值可知，各因素对维生素E含量和DPPH自由基清除率的影响显著性大小：焙烤时间>焙烤温度>小米水分含量，对ABTS自由基清除率的影响显著性大小：焙烤时间>小米水分含量>焙烤温度。

2.2.3 各因素交互作用分析

响应面三维曲线图中曲面的倾斜度高，坡度陡，则对响应值的影响程度大，两者的交互作用显著。为了考察交互项对维生素E含量,DPPH、ABTS自由基清除率的影响，对模型降维分析。经Design-Expert 10.0软件分析，所得的响应面和等高线见图4—图6。

图4表明3个交互项对维生素E含量的影响均显著。由图4a可知，随焙烤时间延长，维生素E含量增加，随焙烤温度升高，维生素E含量先升高后下降。由图4b可知，焙烤温度和小米水分含量(AC)对维生素E含量的影响均随每个因素增大，维生素E含量先增大到极值后再逐渐减少。由图4c可知，随焙烤时间延长，维生素E含量增加，随水分含量增加，维生素E含量先升高后再降低。

图4 各因素交互作用对维生素E含量影响的响应面和等高线Fig.4 Response surface and contour of the effects of various factors interactions on vitamin E content

由图5a可知，焙烤温度和焙烤时间(AB)交互项对DPPH自由基清除率具有一定影响，温度的影响较大，在80～180 ℃ 范围内，随焙烤温度的升高，DPPH自由基清除率升高，5～15 min范围内，随焙烤时间延长，DPPH自由基清除率降低。由图5b可知，随焙烤温度的升高，DPPH自由基清除率升高，随小米水分含量升高，DPPH自由基清除率先升高后下降，在小米水分含量18%达到极值。由图5c可知，小米水分含量的影响与AC交互项的影响一致，焙烤时间对DPPH自由基清除率的影响较大，随焙烤时间延长，DPPH自由基清除率降低。

图5 各因素交互作用对DPPH自由基清除率影响的响应面和等高线Fig.5 Response surface and contour of the effects of various factors interactions on DPPH free radical scavenging rate

由图6a可知，AB交互项影响下，80～180 ℃时，焙烤时间8 min之内，随焙烤温度升高ABTS自由基清除率升高，焙烤时间5～8 min，随焙烤时间延长，ABTS自由基清除率降低；由图6b可知，AC交互项影响下，焙烤温度的影响与AB交互项影响相近，随小米水分含量增加，ABTS自由基清除率先增加再降低；由图6c可知，BC交互项中，焙烤时间对ABTS自由基清除率的影响高于小米水分含量的影响，随焙烤时间延长，ABTS自由基清除率降低，小米水分含量的影响与AC交互项中的相近。

图6 各因素交互作用对ABTS自由基清除率影响的响应面和等高线Fig.6 Response surface and contour of the effects of various factors interactions on ABTS free radical scavenging rate

2.3 响应面优化及验证试验

使用Design-Expert 10.0软件，设置维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率达到极大值，得到维生素E含量的理论最优条件为焙烤温度180 ℃、焙烤时间 5.00 min、小米水分含量19.07%，在此条件下的维生素E含量的理论值为75.10 μg/g；DPPH自由基清除率和ABTS自由基清除率的理论最优条件为焙烤温度173 ℃、焙烤时间5.00 min、小米水分含量19.34%，在此条件下，自由基清除率依次为45.57%、40.56%。结合3个模型的总体分析，结合实际，取工艺条件为焙烤温度175 ℃、焙烤时间5.00 min、小米水分含量20%。采用上述条件进行验证试验，最终维生素E含量平均值为74.50 μg/g，DPPH、ABTS自由基清除率平均值分别为44.58%、44.45%，预测值与实际值吻合良好。

3 结论

将响应面分析法引入到小米焙烤工艺的优化试验中，以小米维生素E含量，DPPH、ABTS自由基清除率为响应值，建立了3个回归模型，在最佳工艺参数焙烤温度175 ℃、焙烤时间5.00 min、小米水分含量20%时，维生素E含量平均值为74.50 μg/g，DPPH、ABTS自由基清除率平均值分别为44.58%、44.45%，预测值与实际值吻合良好。该研究对小米制品的开发利用具有重要意义，且该工艺参数可为工业化应用提供理论依据。